中央空调系统能效分析及评价技术

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摘 要：依据国内外标准、规范、研究文献、试验数据，该文提出了中央空调系统的温湿度指标、能效比模型、制冷系统能效比模型、冷冻水输送系数模型、空调末端能效比模型。基于上述指标和模型，构建了中央空调运行能效评价指标体系和对应的能效诊断方法。

关键词：温湿度指标 能效比模型 制冷系统能效比模型 冷冻水输送系数模型 空调末端能效比模型

中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0079-03

在发达国家中，暖通空调能耗占建筑能耗的65%，若以建筑能耗占总能耗的35%计算，暖通空调能耗占总能耗的比例高达23%。空调也是通信机房和基站中的最主要的耗电设备，空调系统能耗占整个通信行业能耗的40%以上。目前，我国大多数公共建筑中应用的中央空调机组普遍处于设计选型不合理、运行能耗高、自动化水平低、维修率高、使用寿命短的困境，节能潜力很大。

1 技术原理

如图1所示，水冷式中央空调系统由中央空调主机、冷却水系统、冷冻水系统、风机盘管系统等部件构成。

2 能效标准和规范

（1）国外能效标准和规范。

美国的最低能效要求MEPS制度于2000年开始实施。

日本的空调能效法以“平均能效比COP”作为评价对象，要求4.0 kW以下壁挂机从2003年开始实施，其它机种2006年之后实施；2010年新的空调节能法采用季节能效比“APF”作为节能评价指标。

欧盟2012年颁布了空调的ERP生态设计实施条例，规定了空调的生态设计的要求、合格评定的方式、市场监管中的验证程序等等，空调器能耗与效率的测量和计算。

澳大利亚设备能效委员会2010年提出了有关空调最低能效要求的法规影响评估报告，强化了空调的最低能效标准水平。

（2）我国能效标准和规范。

空调行业常见的能效比指标主要是EER和COP，EER是空调器的制冷性能系数，也称能效比，表示空调器的单位功率制冷量。COP是制冷（热）循环中产生的制冷（热）量与制冷（热）所耗电功率之比，分为制冷和制热时的COP，制冷时的性能系数也称ERR。EER和COP越高，空调器能耗越小，性能比越高。

3 能效模型及评价指标

依据国内外标准、规范、研究文献，该文主要建立用于中央空调能效分析的模型、指标及限值[1-2]。

3.1 能效比模型及指标

当输入能源全部为电能时，能效比模型定义如式（1）。

式（1）中：EERs为空调系统能效比；Q为空调系统制备的总冷量，单位为千瓦时（kWh）；ΣNi为空调系统设备，包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔、空调系统末端设备等的总电耗，单位为千瓦时（kWh）。

EERs指标用于评价空调系统的整体运行效率，EERs指标值越高，越节能。

3.2 制冷系统能效比模型

当使用电驱动冷水机组时，采用制冷系统能效比模型评价制冷子系统的经济运行情况，如式（2）所示。

式（2）中：EERr为制冷系统能效比；ΣNj 为制冷系统主要设备的电耗，单位为千瓦时（kWh）。

当系统采用水冷冷水机组，并采用蒸发式冷却塔冷却时，应采用式（3）计算。

式（3）中：Nchiller、Ncp、Nct分别为冷水机组、冷却水泵、冷却塔能耗，单位为千瓦时（kwh）。

3.3 冷冻水输送系数模型

式（4）中：WTFchw为冷冻水输送系数；Nchp为冷冻水泵总能耗，单位为千瓦时（kWh）。

3.4 空调末端能效比模型

式（5）中：EERt 空调末端能效比；ΣNt为各类空调末端的年电耗，单位为千瓦时（kWh）。

4 能效评价指标体系

基于上述提出的能效指标，该文构建了中央空调运行能效评价指标体系，总体结构如图2所示，图中的一级指标、室内环境二级指标不提供计算方法和限值，只是用来表征其下属指标的分类。

5 基于评价指标体系的诊断方法

采用图2所示能效评价指标体系进行运行能效诊断时，应注意以下几个方面。

（1）指标的全年累计工况限值适用于节能评估（全年工况测评），典型工况限值适用于节能检测（单点工况测试）。

（2）各指标计算所需的流量、温度、电量等信息由现场布置的传感器采集，再通过现场总线汇集到客户侧主站。

（3）空调系统能效比指标反映系统的整体能效特性，超标说明系统整体有能效问题；其下属子指标体现具体部件的能效问题，例如当冷冻水输送系数超标时，说明冷冻水输送系统存在能效问题。

（4）当发现某个指标超标时，客户侧主站发送能效报警，并提醒工作人员按照典型问题检查空调系统运行状态。表1、表2给出了冷却水输送系数指标、冷水机组运行效率指标偏低的可能原因[3-4]。

（5）根据上述指标的计算和分析，给出空调系统的能效诊断意见，制定节能改造措施，如更换水泵电机、提高制冷工况下的房间预设温度、系统维护等。对提出的节能措施，要综合考虑改造成本、节能效果，进行技术经济性分析。

冷却水泵扬程过高冷却水回路存在不合理阻力部件，导致冷却水泵扬程偏大定流量运行的冷却水泵，当扬程超出正常情况下的数值时，应该检查冷却水环路压降过滤器清洗工作不够，压降过大；阀门调节失灵，管路中的阀门常年处于半开或开度很小的状态；水泵选型过大后为防止烧泵，关闭阀门，调整水泵工作点。

冷却水供回温差过小由于实际流量偏大，导致供回水温差过小根据运行记录或一段时间内的测量结果，判断温差是否偏小冷却水定流量运行，部分负荷下会出现小温差现象；水泵选型过大，工作点右偏，导致流量偏大；冷机旁通，一机对两泵，导致小温差工况运行；水力调节不匀，或者部分末端旁通，造成小温差工况运行。

冷却水泵效率低水泵的额定效率一般在70%以上，实测中很多水泵的效率小于50%比较冷水机组COP全年累计值与当地建筑节能设计标准水泵选型过大，工作点偏离，导致效率降低

设备自身参数（如额定制冷量、性能等）与实际需求不匹配冷水机组偏离最佳工况点比较最大冷负荷工况下的冷水机组COP瞬时值与冷水机组额定COP 冷水机组设计时选型偏大，冷水机组性能老化。

设备运行管理时存在的问题冷机COP偏低比较冷水机组COP全年累计值与当地建筑节能设计标准多台冷机运行时策略过于保守，冷却塔效率偏低导致冷却水回水温度偏高等。

设备自身参数（如额定制冷量、性能等）与实际需求不匹配，冷水机组偏离最佳工况点，比较最大冷负荷工况下的冷水机组COP瞬时值与冷水机组额定COP 冷水机组设计时选型偏大，冷水机组性能老化。

设备运行管理时存在的问题冷机COP偏低，比较冷水机组COP全年累计值与当地建筑节能设计标准多台冷机运行时策略过于保守，冷却塔效率偏低导致冷却水回水温度偏高等。

参考文献

[1] GB/T 17981-2007，空气调节系统经济运行[S].2007.

[2] GB12021.3-2010，房间空气调节器能效限定值及能效等级[S].2010.

[3] 刘阿祺.冷却水输送系数的获取方法及其在节能诊断中的应用[C]//全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集.2008.

[4] 常晟，王鑫，等.大型公共建筑制冷机COP的实测与应用[C]//全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集.2008.